بخشی از مقاله
چکیده - با افزایش نفوذ منابع بادی به شبکه، یکنواخت سازی توان خروجی این منابع توسط سیستم ذخیرهی انرژی ترکیبی با توجه به مزایای نظیر جذب بیشترین توان ممکن توسط توربین، چگالی توان و چگالی انرژی بالای این سیستم ذخیرهی انرژی، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این راستا توان بین باتری و خازن به گونهای تقسیم میشود که پیک توان تا حد امکان از طریق خازن و پایهی توان از طریق باتری تامین شود.
با توجه به طول عمر نسبتا پایین باتری نسبت به خازن به ازای تغییرات میزان شارژ، باید سعی شود تا حد امکان تغییرات شارژ از باتری به خازن منتقل گردد. در این مقاله روشی ارائه شده است که طی آن در صورتیکه خازن توانایی جبران نوسانات را داشته باشد، توان از طریق خازن تامین گردد. علاوهبراین با جلوگیری از شارژ و یا دشارژ کامل خازن سعی میشود تا همواره بخشی از نوسانات به وسیلهی خازن جبران شود تا پیک توان زیادی از باتری عبور نکند. نتایج شبیه سازی به کمک نرمافزار متلب نشان میدهد روش ارائه شده نسبت به روش تقسیم توان به روش حذف پیک و روش اولیهBپشتیبان عملکرد بهتری دارد.
-1 مقدمه
افزایش آلودگی کرهی زمین و کاهش ذخایر سوختهای فسیلی کشورها را بر ان داشته است که به جای استفاده از سوخت-های فسیلی، از منابع انرژی تجدیدپذیر برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کنند. از این رو مشاهده می شود، امروزه استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد، خورشید، زمین گرمایی، جزرومد و .... افزایش قابل توجهی داشته است. در میان منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده از باد و خورشید ، با توجه به ویژگیهایی نظیر هزینهی تعمیر و نگه داری نسبتا پایین، میزان دسترسی به منابع - باد و خورشید - سرعت برگشت سرمایه و هزینهی تولید به ازای هر کیلووات پایین، توجه بیشتری را به خود جلب کردهاند.
[1] از طرفی با توجه به اینکه سرعت باد و تابش خورشید و دما تغییر میکنند و این تغییر پارامتر، تاثیر مستقیم بر میزان انرژی دارد، لذا توان تولیدی دارای نوساناتی خواهد بود. درصورتی که مقدار این نوسانات نسبت به توان کل شبکه کم باشد، ولتاژ و فرکانس شبکه به میزان خیلی کمی تحت تاثیر قرار خواهند گرفت. از این رو تزریق توان نوسانی به شبکه در این حالت مشکلی برای شبکه به وجود نخواهد آورد. این در حالیست که این وضعیت در گذشته برقرار بود، زیرا منابع انرژی تجدیدپذیر سهم کمی از منابع موجود در شبکه را داشتند.
در صورتیکه امروزه کشورهایی نظیر دانمارک، ایرلند و آلمان از نیرو-گاههای بادی به عنوان یکی از منابع اصلی تولید انرژی خود بهره میبرند3]،.[2 از این رو اگر توان نوسانی مزارع بادی وارد شبکه شود، میتواند فرکانس و ولتاژ شبکه را به میزان قابل توجهی از مقدار نامی منحرف کند. نتیجه خروج پارامترها از ناحیهی مجاز، خروج برخی بارها، خاموشی و یا قطع قسمتی از شبکه و یا جزیره-ای شدن شبکه خواهد بود.[3]
زمانی که قسمتی از شبکه به صورت جزیرهای در حال کار است که بخش قابل توجهی از توان تولیدی این بخش توسط نیروگاههای بادی تولید میشود، این مشکل وجود دارد. از این رو برای جلوگیری از این مشکلات محدودیتی برای تغییرات توان خروجی در نظر گرفته میشود.[4] بر این اساس نیروگاههای بادی موظف هستند تا توان یکنواختی را به شبکه منتقل کنند. کشورهای مختلف میزان یکنواختی مختلفی درنظر گرفتهاند. برای مثال کشور آلمان بیشترین نرخ تغییرات توان خروجی را 10 درصد در هر دقیقه در نظر گرفته است.[5] این در حالیست که کشورهایی نظیر چین و ژاپن، دو نوع محدودیت کوتاه مدت و بلند مدت درنظر گرفتهاند.
برای این کشورها بیشترین مقدار تغییرات در هر دقیقه 2 درصد توان نامی و در هر 30 دقیقه به ترتیب 7 و 10 درصد در نظر گرفته شده است. از این رو تغییرات توان خروجی توربینهای بادی باید در محدودهی تعیین شده باشد.[6] برای این منظور دو راه حل کلی وجود دارد. روش اول تولید توان یکنواخت است. در این حالت زاویهپرهها[7]، سرعت گردش توربین[8] و یا هردو [9] به گونهای تغییر میکند که توان یکنواخت از باد دریافت شود. در این حالت توان بدست آمده از توربین عینا به شبکه منتقل میشود. با توجه به اینکه زاویهی پرهها و سرعت توربین براساس بدست آوردن توان یکنواخت تعیین می-شود لذا توربین بیشترین توان ممکن را از باد دریافت نمیکند. علاوه براین همواره سطح انرژی دریافتی پایین در نظر گرفته می-شود تا در صورت کاهش سرعت باد، بتوان باز هم توان یکنواخت به شبکه تزریق کرد.
راه حل دوم استفاده از سیستمهای ذخیرهی انرژی میباشد. در این روش توربین بیشترین توان ممکن را از باد دریافت میکند. حال این توان با استفاده از یک فیلترپایینگذر یا با استفاده از روش کنترل نرخ تغییرات، یکنواخت شده و به خروجی منتقل می-گردد11]،.[10 پس از آنکه این توان به شبکه منتقل شد، اختلاف توان درباس DC جمع شده و باعث تغییر ولتاژ این باس خواهد شد. اگر این اختلاف توان جبران نشود، ولتاژ خازن باس DC بیش از حد زیاد میشد و خازن از بین خواهد رفت. از این رو سیستمهای ذخیرهی انرژی وظیفه دارند تا این اختلاف توان را جبران کنند.
مراجع مختلف سیستمهای ذخیرهی انرژی مختلفی را مورد استفاده قرار دادهاند. مرجع [12] از چرخطیار [13] از ابررساناها، [14] از فشردهساز هوا،[15] از خازن و مرجع [16] از باتری، به عنوان سیستم ذخیرهی انرژی در جبران نوسانات توان بهره برده-اند.در مرجع [10] بیان شده است، با توجه به چگالی توان بالای خازن و همچنین چگالی انرژی بالای باتری استفاده از سیستم ذخیرهی انرژی ترکیبی نسبت به استفاده از هر یک از این منابع به تنهایی عملکرد بهتری دارد.
حال تقسیم مناسب توان بین باتری و خازن اهمیت پیدا میکند. مرجع [10] با استفاده از فیلتر پایین-گذر توان باتری و خازن را مشخص کرده است. مرجع [17] با استفاده از تبدیل موجک کار تقسیم توان را انجام میدهد. در این مراجع هنگام تقسیم توان به وضعیت شارژ خازن توجه نمیشود. مرجع [18] با استفاده از الگوریتم بهینهسازی توان باتری و خازن را مشخص کرده است که واگرایی و دیر رسیدن به جواب از مشکلات عمدهی این روش است.
شکل :1 شمای کلی سیستم که خازن توانایی زیادی در جبران نوسانات توان دارد، به تنهایی نوسانات توان را تامین میکند تا شارژ و دشارژ باتری که عامل اصلی در کاهش طول عمر باتری است، کاهش یابد.[19] همچنین هنگامی که توانایی جبران نوسانات توان در خازن کم است، تنها بخشی از نوسانات از طریق باتری تامین گردد تا استرس وارد بر آن ناشی از پیک توان عبوری کاهش یابد.
در ادامه به بررسی ساختار سیستم پرداخته میشود. در بخش سوم به تشریح روش مورد نظر پرداخته و هریک از قسمتهای روش توضیح داده خواهد شد. در قسمت چهارم نتایج شبیهسازی روش گفته شده و همراه با روش تقسیم توان به وسیلهی تابعاشباع و همچنین تقسیم توان به روش اولیهBپشتیبان که خازن سیستم ذخیرهی انرژی اولیه و باتری نقش پشتیبان دارد، ارائه خواهد گردید و در قسمت پنجم نتیجهگیری ارائه خواهد شد.
-2 ساختار سیستم
توان تولیدی توربین پس از دریافت از باد توسط پرهها، به ژنراتور منتقل میشود. در ادامه مبدل AC/DC این توان را به باس DC و در نهایت یکنواخت شدهی آن توسط اینورتر و از طریق فیلتر به شبکه تزریق میشود. از طرف دیگر اختلاف بین توان تولیدی و توان خروجی توسط دو مبدل DC/DC توسط باتری و خازن تامین میگردد. ساختار سیستم در شکل 1 آمده است.
